Ingenieurs van de University of Illinois Chicago hebben een elektrochemische reactie op zonne-energie gecreëerd die niet alleen afvalwater gebruikt om ammoniak te maken - de op één na meest geproduceerde chemische stof ter wereld - maar ook een efficiëntie van zonne-energie bereikt die 10 keer beter is dan enige andere vergelijkbare technologie.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen , een toptijdschrift voor onderzoek op het snijvlak van energielevering en milieubescherming.

"Deze technologie en onze methode hebben een groot potentieel om on-demand synthese van meststoffen mogelijk te maken en kunnen een enorme impact hebben op de landbouw- en energiesectoren in ontwikkelde en ontwikkelingslanden, en over de inspanningen om de broeikasgassen uit fossiele brandstoffen te verminderen, " zei hoofdonderzoeker Meenesh Singh, assistent-professor chemische technologie aan het UIC College of Engineering.

ammoniak, een combinatie van één stikstofatoom en drie waterstofatomen, is een belangrijke verbinding van meststoffen en veel vervaardigde producten, zoals plastic en farmaceutica. De huidige methoden om ammoniak uit stikstof te maken, vereisen enorme hoeveelheden warmte, opgewekt door verbranding van fossiele brandstoffen, om de sterke bindingen tussen stikstofatomen te verbreken, zodat ze aan waterstof kunnen binden. Dit eeuwenoude proces produceert een aanzienlijk deel van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, die een drijvende kracht zijn achter klimaatverandering.

Eerder, Singh en zijn collega's ontwikkelden een milieuvriendelijke methode om ammoniak te maken door zuiver stikstofgas te filteren door een elektrisch geladen, met katalysator bedekt gaasscherm in een oplossing op waterbasis. Deze reactie gebruikte slechts een kleine hoeveelheid fossiele brandstof om het scherm te elektrificeren, die stikstofatomen afbreekt, maar het produceerde meer waterstofgas (80%) dan ammoniak (20%).

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben dit concept verbeterd en een nieuwe methode ontwikkeld die gebruik maakt van nitraat, een van de meest voorkomende grondwaterverontreinigingen, om stikstof en zonlicht te leveren om de reactie te elektrificeren. Het systeem produceert bijna 100% ammoniak met bijna nul nevenreacties van waterstofgas. De reactie heeft geen fossiele brandstoffen nodig en produceert geen kooldioxide of andere broeikasgassen, en het gebruik van zonne-energie levert een ongekende efficiëntie van zonne-energie op, of STF, van 11%, wat 10 keer beter is dan enig ander state-of-the-art systeem om ammoniak te produceren (ongeveer 1% STF).

De nieuwe methode is gebaseerd op een kobaltkatalysator, die de onderzoekers samen met het nieuwe proces in hun paper beschrijven, "Door zonne-energie aangedreven elektrochemische synthese van ammoniak met behulp van nitraat met 11% zonne-naar-brandstofefficiëntie bij omgevingscondities."

Om de katalysator te identificeren, de onderzoekers pasten eerst computationele theorie toe om te voorspellen welk metaal het beste zou werken. Na het identificeren van kobalt via deze modellen, het team experimenteerde met het metaal, verschillende manieren proberen om zijn activiteit in de reactie te optimaliseren. De onderzoekers ontdekten dat een ruw kobaltoppervlak afgeleid van oxidatie het beste werkte om een ​​selectieve reactie te creëren, wat betekent dat het bijna alle nitraatmoleculen in ammoniak heeft omgezet.

"Het vinden van een actieve, selectief, en stabiele katalysator die werkte in een systeem op zonne-energie is een krachtig bewijs dat duurzame synthese van ammoniak op industriële schaal mogelijk is, ' zei Singh.

Niet alleen is de reactie zelf koolstofneutraal, wat goed is voor het milieu, maar als het systeem is ontwikkeld voor industrieel gebruik, het kan ook een bijna netto-negatieve, herstellend effect op het milieu.

“Door afvalwaternitraat te gebruiken, moeten we ook de verontreiniging uit het oppervlakte- en grondwater verwijderen. dit betekent dat het proces tegelijkertijd kan helpen bij het corrigeren van industrieel afval en afvloeiend water en het opnieuw in evenwicht brengen van de stikstofcyclus, met name in plattelandsgebieden die economische nadelen kunnen ondervinden of het grootste risico lopen door een hoge blootstelling aan een teveel aan nitraat, ' zei Singh.

Hoge blootstelling aan nitraat via drinkwater is in verband gebracht met gezondheidsproblemen zoals kanker, schildklier aandoening, vroeggeboorte, en een laag geboortegewicht.

"We zijn allemaal erg blij met deze prestatie, en we stoppen hier niet. We hebben goede hoop dat we binnenkort een groter prototype hebben waarmee we op veel grotere schaal kunnen testen, " zei Singh, die al samenwerkt met gemeentelijke corporaties, afvalwaterzuiveringscentra, en anderen in de industrie over de verdere ontwikkeling van het systeem.

Een patent voor het nieuwe proces is ingediend door het UIC Office of Technology Management.

Co-auteurs van het artikel zijn Nishithan Kani en Aditya Parajapati van UIC, Joseph Gauthier van de Texas Tech University, Jane Edgington en Linsey Seitz van de Northwestern University, Isha Bordawekar van Warren Township High School, Windom Shields en Mitchell Shields van Worldwide Liquid Sunshine, en Aayush Singh van Dow Inc.